Đồ án công nghệ lọc dầu- Tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản cho tháp loại Butan

Lời Mở Đầu Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản nhất, đôi khi gần như là phương pháp duy nhất được sử dụng trong một nhà máy lọc dầu để phân chia dầu mỏ và khí tự nhiên cũng như các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

KHOA: DẦU KHÍ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC:

CÔNG NGHỆ LỌC DẦU

GVHD: TS.NGÔ THANH HẢI

SVTH: NGUYỄN DUY HOÀNG MSSV: 1021011059

LỚP: LỌC – HÓA DẦU K55_VT

Lời Mở Đầu

Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản nhất, đôi khi gần như là phương pháp duy nhất được sử dụng trong một nhà máy lọc dầu để phân chia dầu mỏ và khí tự nhiên cũng như các phân đoạn của chúng thành các phân đoạn và tiểu phân đoạn Người ta cần chưng cất không những dầu thô, khí đồng hành, khí tự nhiên mà cả hỗn hợp sản phẩm ra khỏi các lò phản ứng hóa học dùng trong các quá trình chế biến sâu dầu mỏ cũng như trong lĩnh vực hóa dầu.

Sự chưng cất được thực hiên trong các thiết bị chưng cất Thiết

bị chưng cất gồm tháp chưng cất và bình tách cùng các thiết bị phụ trợ như thiết bị làm lạnh, thiết bị làm lạnh ngưng tụ, gia nhiệt… Tháp chưng cất là thiết bị chủ yếu của một phân xưởng chưng cất Từ xa nhìn vào một nhà mấy lọc dầu ta luôn thấy lô nhô nhưng tháp cao, hầu hết chúng là những tháp chưng cất Chúng thường có kích thước to lớn, cao hơn hẳn nhiều thiết bị khác, thường có cấu trúc hình viên trụ, nên thường được gọi là tháp (tháp chưng cất) Hầu hết các tháp chưng cất dùng trong công nghiệp lọc hóa dầu

và chế biến khí tự nhiên là tháp đĩa Đĩa (mân) là một cấu trúc cơ khí nằm ngang trong tháp chưng cất, có tác dụng tạo điều kiện cho pha hơi bay lên và pha lỏng đi xuống tiếp xúc với nhau một cách tốt và đủ lâu ngay trong tháp để sự trao đổi chất giữa chúng xảy ra được hoàn hảo.

Trong tháp chưng cất luôn có nhiều đĩa Đó là những đĩa thực.

Số đĩa bao giờ cũng lớn hơn số đĩa lý thuyết tính được bằng các phương pháp Sự khác nhau đó thường vào khoảng 1,2 – 1,5 lần Các tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu và nhà máy chế biến khí

có từ mười đến dăm sáu chục đĩa, còn trong nhà máy lọc hóa dầu

có thể còn nhiều hơn vì ở đó có thể có như cầu phân tách cao hơn, tạo ra những phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau rất ít, thậm chí ta

ra các chất gần như nguyên chất.

Đường kính của tháp chưng cất phụ thuộc vào công suất của

nó, nghĩa là phụ thuộc vào lưu lượng nguyên liệu (để chưng cất), đúng hơn là phụ thuộc vào lưu lượng các dòng hơi và các dòng lỏng trong tháp, còn chiều cao của tháp thì chủ yếu phụ thuộc vào

số đĩa mà nó có Khoảng cách giữa 2 đĩa liên tiếp vào khoảng 0,25 – 0,8 m và có thể còn lớn hơn nữa, đặc biệt là trong các tháp chưng cất hoạt động ở áp suất tháp Cần chú ý là khoảng cách đó ở đĩa nạp liệu còn lớn hơn, thường là 0,8 – 1,2m Ngoài ra cũng cần một không gian đáng kể ở đỉnh tháp và ở đáy tháp Khoảng cách giữa đĩa trên cùng và trần tháp thường là 1m, còn khoảng cách giữa đĩa dưới cùng và mặt đáy tháp phải như thế nào để thể tích vùng đó

Tháp chưng cất luôn được đặt trên một bệ cao chừng 4 – 5m để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy phân đoạn cặn Phía trên tháp

có thể còn có các kết cấu che chắn Quanh tháp luôn có các cầu thang, các chái cầu thang, các ống dẫn các phân đoạn v.v…

Ở đỉnh tháp luôn phải có 1 ống dẫn phân đoạn hơi bay ra khỏi tháp Tiết diện của ống đó phải như thế nào để tốc độ dòng hơi bay trong đó 12 – 20m/s.

Ở đáy tháp phải có một đường dẫn pha lỏng cặn chưng cất ra ngoài Một số tháp còn có những ống dẫn các phân đoạn sườn đi ra

và thậm chí cả đi vào tháp trong trường hợp thực hiện hồi lưu, khi

Nguyên Liệu

T13

8 9

A

10 M

L 5

B

D

C 12

6 X

E’

15

4

13

11 K

14

T14 H

3

T1a

2

T1b

T2a

2

T2b

stripping các phân đoạn Tốc độ các dòng lỏng đó vào khoảng 0,2 – 0,8m/s trong chế độ tự chảy, 1 – 3m/s ở chế độ chảy cưỡng bức nhờ bơm Ống dẫn pha lỏng lấy từ sườn tháp được lắp tại một vị trí thấp hơn mặt đĩa tại đó lỏng được lấy ra một khoảng 30 – 40 cm Bên sườn tháp cất phải có những cửa sổ để qua đó con người

có thể chui vào tiến hành sữa chữa, làm vệ sinh Đó là những lỗ chui có đường kính khoảng 60 cm

Dĩ nhiên ở tháp chưng cất còn phải có những lỗ để lắp đặt các

bộ cảm biến của các thiết bị độ đạc, kiểm tra, điều khiển.

Sơ đồ công nghệ đơn giản hóa để chưng cất một hỗn hợp

hydrocacbon nhẹ:

Phần 1: Tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản cho tháp loại

butan (Debutanizer).

Cần chưng cất để tách nguyên liệu (cho ở bảng 1) thành sản phẩm distillat chứa không nhiều hơn 5% mol i-C5 và sản phẩm đáy (cặn) chứa không nhiều hơn 0,5% mol n-C4

Bảng 1 Thành phần nguyên liệu

(mol/h)

Theo các điều kiện vận hành của tháp loại Butan đã cho:

 Sản phẩm distillat chứa không nhiều hơn 5% mol i-C5

 Sản phẩm đáy (cặn) chứa không nhiều hơn 0,5% mol n-C4

 Áp suất đỉnh tháp: 7,4 atm

 Áp suất đáy tháp: 8,8 atm

 Độ hiệu dụng (trung bình) của đĩa là 75%

 Độ hồi lưu bằng 1,5 lần độ hồi lưu tối thiểu (R = 1,5Rmin)

Ta đi tính thành phần của distillat D và của cặn R

Các phương trình cân bằng khối lượng:

AC2 = D.y1D + R.x1R AC3 = D.y2D + R.x2R

AiC4 = D.y3D + R.x3R AnC4 = D.y4D + R.x4R AiC5 = D.y5D + R.x5R AnC5 = D.y6D + R.x6R AnC6 = D.y7D + R.x7R AnC7 = D.y8D + R.x8R AnC8 = D.y9D + R.x9R Thay các giá trị bằng số, coi x1R, x2R, x3R, y6D, y7D, y8D và y9D bằng không:

4 = D.y1D + (1115,34 – D).0 40,38 = D.y2D + (1115,34 – D).0

39 = D.y3D + (1115,34 – D).0

108 = D.y4D + (1115,34 – D).0,005 115,87 = D.0,05 + (1115,34 – D).x5R (1) 155,33 = D.0 + (1115,34 – D).x6R (2) 251,36 = D.0 + (1115,34 – D).x7R (3) 292,78 = D.0 + (1115,34 – D).x8R (4) 108,62 = D.0 + (1115,34 – D).x9R (5) Cộng các phương trình (1), (2), (3), (4) và (5) lại với nhau sẽ được:

923,96 = (1115,34 – D)(x5R + x6R + x7R + x8R + x9R) + 0,05.D Theo điều kiện ở trên:

x4R + x5R + x6R + x7R + x8R + x9R = 1 = 0,005 + x5R + x6R + x7R + x8R + x9R

 x5R + x6R + x7R + x8R + x9R = 1- 0,005 = 0,995

Do đó: 923,96 = (1115,34 – D).0,995 + 0,05.D

 D = 196,6172 kmol

R = 918,7228 kmol Biết D ta tính được các đại lượng sau:

y1D = 0,0203 y2D = 0,2054 y3D = 0,1984 y4D = 0,5259 Kết quả được ghi ở bảng sau:

Bảng 2 Thành phần nguyên liệu, distillat, cặn (coi nguyên liệu có lưu lượng: 1115,34 mol/h)

Tổng 1,0000 1115,34 1

(# 1)

196,6172 (# 196,6172)

918,7228 (# 918,7228)

Phương pháp tính gần đúng giả sử - kiểm tra để tính nhiệt độ đỉnh tháp ở áp suất đỉnh tháp 7,4 atm nhờ công thức sau (Trang 28, giáo trình công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng):

x i =  y i

K i = 1

Và tính nhiệt độ đáy tháp ở áp suất đáy tháp 8,8 atm nhờ Hình 2.8: Biểu đồ về hằng số

cân bằng của các hydrocacbon (Trang 27, giáo trình công nghệ lọc dầu, Phan Tử

Bằng)

Kết quả cho ở bảng 3:

Bảng 3 Số liệu liên quan đến phép tính nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng cất

k i

Từ bảng 3 ta tìm ra được nhiệt độ đỉnh là 61℃

Biết thành phần cặn ở bảng 2 tìm được ki ở Hình 2.8: Biểu đồ về hằng số cân bằng của các hydrocacbon (Trang 27, giáo trình công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng) rồi dùng hệ thức (Trang 26, giáo trình công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng):

y i =  Kixi = 1 Bảng 4 Số liệu liên quan đến phép tính nhiệt độ ở đáy tháp tháp chưng cất

Từ bảng 4 ta tìm được nhiệt độ đáy là 162 ℃

Vậy nhiệt độ đỉnh và nhiệt độ đáy tháp chưng cất lần lượt là 61℃, 162 ℃.

Căn cứ vào số liệu tìm được ở bảng 2 có thể lựa chọn nC 4 là LK, iC 5 là HK

Nhiệt độ trung bình trong tháp chưng cất là:

61+ 162

2 = 111,5℃ (6)

Áp suất trung bình trong tháp chưng cất là:

7,4+8,8

2 = 8,1 atm (7)

Từ (6) và (7) dựa vào Hình 2.8: Biểu đồ về hằng số cân bằng của các hydrocacbon

(Trang 27, giáo trình công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng) , ta tìm được hằng số cân

bằng của nC 4 , iC 5 lần lượt là 1,8 và 0,97

Do đó:

LH = 0,971,8 = 1,8557 Như vậy, dựa vào số liệu về thành phần distillat và thành phần cặn ở bảng 2, theo phương trình Fenske:

Nmin + 1 = lg(x LKD

x HKD .

x HKR

x LKR)

lg❑LH Thay các giá trị đã tính được vào phương trình Fenske, ta có:

Nmin + 1 = lg(0,52590,05 .

0,1154 0,005 )

lg1,8557 = 8,9

hay Nmin = 7,9 đĩa

Bây giờ ta tìm E trong phương trình Underwood như ở bảng 5 với:

X =  i x iA

❑i−E

Ki lấy ở nhiệt độ trung bình 111,5℃, áp suất trung bình 8,1 atm

Bảng 5 Số liệu liên quan đến phép tính giả sử - kiểm tra

để tìm E trong phương trình (2-13), q = 1

# 0

Vậy E = 0,778

Thay E = 0,778 vào phương trình Underwood (2-12) (Trang 29, giáo trình công nghệ

lọc dầu, Phan Tử Bằng) :

hmin + 1 =  i x iD

❑i−E

ta có số liệu sau:

Bảng 6 Áp dụng phương trình (2-12) với E = 0,778

❑i−E

nC4 0,5259 1 0,5259 0,2220 2,3689

Bảng 6 cho ta thấy độ hồi lưu tối thiểu hmin = 2,15

Sau khi tìm được hmin, Nmin ta dùng biểu đồ Gilliland ở hình 2.9 (Trang 29, giáo trình công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng) để tìm số đĩa lí thuyết N Thông thường độ hồi lưu

h có quan hệ với hmin:

h = (1,2 ÷ 1,5)hmin

Mà hồi lưu bằng 1,5 lần độ hồi lưu tối thiểu (R = 1,5Rmin) do đó h = 1,5hmin = 1,5.2,15 = 3,225

Khi đó:

h−h min h+1 = 3,225−2,15

3,225+1 = 0,254

Với h−h min

h+1 = 0,254 ta tra hình 2.9: Quan hệ Gilliland (Trang 29, giáo trình công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng) được kết quả như sau:

N −N min

N +1 = N −7,9

N +1 = 0,38 Nên N lý thuyết = 13,4 đĩa

Do độ hiệu dụng (trung bình) của đĩa là 75%, nên:

N thực tế = N lý thuyết

0,75 = 13,40,75 = 17,87 ≈ 18 đĩa

Vậy số đĩa (thực tế) cần có của tháp chưng cất là 18 đĩa.

Phần 2 Tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản cho tháp chưng

cất dầu thô khí quyển (CDU).

Dầu thô Dubai (nguyên liệu cho nhà máy lọc dầu Dung Quất) có đặc trưng như sau:

 OAPI = 31,2

 KUOP = 11,78

 Đường cong chưng cất (TBP) và tỉ khối cho ở bảng dưới đây:

Nhiệt độ (℃) Phần chưng cất (%V, tích lỹ) Tỷ khối

-Cần chưng cất dầu thô trên thành 5 phân đoạn sản phẩm:

 Phân đoạn đỉnh: full range naphtha

 Phân đoạn đáy (AR): atmospheric residue

 Kerosense

 LGO

với điểm cắt (cut point) TBP như sau:

Full Range Naphtha / Kerosense 165

Tháp chưng cất dầu thô gồm 48 đĩa: vùng cất (từ đĩa 1 đến đĩa 42) có đường kính trong là 6,7 m, vùng nạp liệu-đĩa tháp (từ 43 đến đĩa 48) có đường kính trong là 4 m Các phân đoạn sườn Kerosense, LGO, HGO lần lượt được lấy ra ở đĩa 15, 26, 38; đĩa nạp liệu là đĩa 43 Áp suất đỉnh tháp là 1,5 atm, độ giảm áp suất trung bình qua mỗi đĩa là 8 mmHg Công suất của tháp là 6,5 triệu tấn/năm